Linux ：进程间通信（IPC）的五种方式（管道、FIFO、共享内存、信号量、消息队列） |
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Linux ：进程间通信（IPC）的五种方式（管道、FIFO、共享内存、信号量、消息队列）
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进程间通信（IPC）的五种方式（管道、FIFO、共享内存、信号量、消息队列）
进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。 进程间通信的本质：让两个不同的进程看到同一份资源（该资源通常由操作系统直接或间接提供） 进程间通信目的： 数据传输 ： 一个进程需要将它的数据发送给另一个进程资源共享 ： 多个进程之间共享有同样的资源通知事件 ：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如：进程终止时要通知父进程）进程控制 ： 有些进程希望完全控制另一个进程的运行（如：Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。 IPC的分类： 管道 匿名管道命名管道 System V IPC System V 消息队列System V 共享存储System V 信号量 POSIX IPC 消息队列共享内存信号量互斥量条件变量读写锁 其他概念引入 临界资源 ： 多道程序系统中存在许多进程，它们共享各种资源，然而有很多资源一次只能供一个进程使用。一次仅允许 一 个进程使用的资源称为临界资源。许多物理设备都属于临界资源，如输入机、打印机、磁带机等。临界区 ： 每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区。互斥 ： 任何一个时刻，只允许有一个进程进入临界资源进行资源访问，在其资源访问期间其他进程不得访问。同步 ： 在保证安全的前提条件下，进程按照特定的顺序访问临界资源原子性 ： 指一个操作是不可中断的，要么执行成功要么执行失败，不会有第三态。 一、管道管道，一般指匿名管道，是 UNIX 系统中 IPC最古老的形式。 通常把从一个进程链接到另一个进程的一个数据流成为一个“管道”。 特点 管道是一种特殊的文件，对于它的读写可以使用普通的read、write 等函数。但是它不同于普通文件，它不属于其他任何文件系统，且只存在于内存中。管道是半双工的，只允许单向通信（即数据只能向一个方向上流动），具有固定的读端和写端；需要双方通信时，需要建立起两个管道面向字节流一般，内核会对管道操作进行同步与互斥（即管道自带互斥和同步机制）进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随通信双方的进程 匿名管道 只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信，常用于父子进程或者兄弟、爷孙进程之间通信。子进程继承父进程的文件描述符、数据、代码等。子进程不可直接继承父进程的时间片，由父进程分配（时间片即CPU分配给各个程序的时间，每个线程被分配一个时间段，称作它的时间片，即该进程允许运行的时间，使各个程序从表面上看是同时进行的。） 原型 #include int pipe(int fd[2]);功能：创建一个匿名管道 参数：fd—>文件描述符，其中fd[0]表示读端，fd[1]表示写端 返回值：若成功返回0，失败返回错误代码 建立一个管道时，会创建两个文件描述符，读端和写段，如下图：
命名管道可以从命令行上创建，使用下面的命令： $ mkfifo filename命名管道也可以从程序里创建，相关函数为： #include int mkfifo ( const char *filename, mode_t mode );返回值：成功返回0，出错返回-1 创建命名管道： int main ( int argc , char *argv[]) { mkfifo ( "p2" , 0644 ); return 0 ; } 匿名管道与命名管道的区别 匿名管道由 pipe 函数创建并打开命名管道由 mkfifo 函数创建，打开用 openFIFO（命名管道）与 pipe（匿名管道）之间唯一的区别在于它们创建与打开的方式不同，一旦这些工作完成之后，就会有相同的语义。例子：读取文件，写入命名管道 #include #include #include #include #include #define ERR_EXIT(m) \ do \ { \ perror(m); \ exit(EXIT_FAILURE); \ } while(0) int main(int argc, char *argv[]) { mkfifo("tp", 0644); int infd; infd = open("abc", O_RDONLY); if (infd == -1) ERR_EXIT("open"); int outfd; outfd = open("tp", O_WRONLY); if (outfd == -1) ERR_EXIT("open"); char buf[1024]; int n; while ((n=read(infd, buf, 1024))>0) { write(outfd, buf, n); } close(infd); close(outfd); return 0; } 三、共享内存共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。 特点 共享内存是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。（⼀旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，换句话说是进程不再通过执⾏进⼊内核的系统调⽤来传递彼此的数据）因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。 共享内存示意图：
共享内存函数
shmget函数 原型
#include
#include
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：⽤来创建共享内存 参数 : key—> 这个共享内存段名字 size—>共享内存⼤⼩ shmflg—>由九个权限标志构成，它们的⽤法和创建⽂件时使⽤的mode模式标志是⼀样的 （内部有 IPC_CREAT 和 IPC_EXCL ：当两个参数共同使用时，返回正常，则会创建新的共享内存；返回失败，则已存在共享内存） 返回值：成功返回⼀个⾮负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1 shmat函数（挂接、映射） 原型 void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);功能：将共享内存段连接到进程地址空间 参数: shmid—> 共享内存标识 shmaddr—>指定连接的地址 shmflg—>它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY 返回值（映射的地址）：成功返回⼀个指针，指向共享内存第⼀个节；失败返回-1 注意： shmaddr为NULL，核⼼⾃动选择⼀个地址 shmaddr不为NULL且shmflg⽆SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。 shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会⾃动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：s hmaddr - (shmaddr % SHMLBA) shmflg（权限）=SHM_RDONLY，表⽰连接操作⽤来只读共享内存 shmdt函数（取消关联） 原型 int shmdt(const void *shmaddr);功能：将共享内存段与当前进程脱离 参数: shmaddr—>由shmat所返回的指针 返回值：成功返回0；失败返回-1 注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段 shmctl函数 原型 int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);功能：⽤于控制共享内存 参数: shmid—>由shmget返回的共享内存标识码 cmd—>将要采取的动作（有三个可取值） buf—>指向⼀个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构 返回值：成功返回0；失败返回-1 四、信号量信号量主要用于同步和互斥 信号量结构体伪代码 : 本质上是一个具有原子特性的计数器，这一计数器用来描述临界资源当中资源的数目。 struct semaphore { int value; pointer_PCB queue; } 进程互斥 由于各进程要求共享资源，⽽且有些资源需要互斥使⽤，因此各进程间竞争使⽤这些资源，进程的这种关系为进程的互斥系统中某些资源⼀次只允许⼀个进程使⽤，称这样的资源为临界资源或互斥资源。在进程中涉及到互斥资源的程序段叫临界区 特性：IPC资源必须删除，否则不会自动清除，除非重启，所以 System V IPC 资源的生命周期随内核。 信号量集函数 semget函数 原型 int semget(key_t key, int nsems, int semflg);功能 ：⽤来创建和访问⼀个信号量集 参数 : key—>信号集的名字 nsems—>信号集中信号量的个数 semflg—> 由九个权限标志构成，它们的⽤法和创建⽂件时使⽤的mode模式标志是⼀样的 返回值 ：成功返回⼀个⾮负整数，即该信号集的标识码；失败返回-1 shmctl函数 原型 int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);功能 ：⽤于控制信号量集 参数： semid—>由semget返回的信号集标识码 semnum—>信号集中信号量的序号 cmd—>将要采取的动作（有三个可取值） 最后⼀个参数根据命令不同⽽不同 返回值：成功返回0；失败返回-1 semop函数 原型 int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);功能 ：⽤来创建和访问⼀个信号量集 参数： semid—>是该信号量的标识码，也就是semget函数的返回值 sops—>是个指向⼀个结构数值的指针 nsops—>信号量的个数 返回值 ：成功返回0；失败返回-1 五、消息队列 消息队列提供了⼀个从⼀个进程向另外⼀个进程发送⼀块数据的⽅法每个数据块都被认为是有⼀个类型，接收者进程接收的数据块可以有不同的类型值消息队列也有管道⼀样的不⾜，就是每个消息的最⼤⻓度是有上限的（MSGMAX），每个消息队 列的总的字节数是有上限的（MSGMNB），系统上消息队列的总数也有⼀个上限（MSGMNI) 消息队列函数 msgget函数 原型 int msgget(key_t key, int msgflg);功能：⽤来创建和访问⼀个消息队列 参数 key—> 某个消息队列的名字 msgflg—>由九个权限标志构成，它们的⽤法和创建⽂件时使⽤的mode模式标志是⼀样的 返回值：成功返回⼀个⾮负整数，即该消息队列的标识码；失败返回-1 msgctl函数 原型 int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);功能 ：消息队列的控制函数 参数 : msqid—>由msgget函数返回的消息队列标识码 cmd—>是将要采取的动作,（有三个可取值） 返回值 ：成功返回0，失败返回-1 总结 接⼝创建IPC(msgqueue, shm, sem), ipcget 删除IPC(msgqueue, shm, sem), ipcctl + IPC_RMID 每种IPC都有⾃⼰个性化的操作接⼝ 命令 ipcs : 显示IPC资源 ipcs - m 查看共享内存 ipcs - s 查看信号 ipcs - q 查看消息队列ipcrm : 手动删除IPC资源 ipcrm - m 查看共享内存 ipcrm - s 查看信号 ipcrm - q 查看消息队列 特性IPC资源必须删除，否则不会⾃动清除，除⾮重启，所以system V IPC资源的⽣命周期随内核 |
若要数据流从父进程流向子进程，则关闭父进程的读端（fd[0]）与子进程的写端（fd[1]）；反之，则可以使数据流从子进程流向父进程。【本文地址】
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